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一种以DNA为原始材料来设计、组装并运行的软机

这是一种以 DNA 为原始材料来设计、组装并运行的软机械人新材料,它可以用自身新陈代谢来驱动,它也可以利用于生物检测,并且有望做成便携式的检测装配。

这是一项材料学的冲破。这项钻研来自美国康奈尔大年夜门生物工程和情况工程系教授罗丹的实验室,论文颁发在《科学·机械人学》杂志(Science Robotics )。他吸收了 Deeptech 的独家专访,具体先容了此项钻研的前因效果以及利用前景。

图丨该图显示,从 DNA 双螺旋分子开始逐级有层次组装,着末形成宏不雅的有布局的类生命材料;在人工新陈代谢驱动下,可以自立逆流而上。(滥觞:SCIENCE ROBOTICS)

众所周知,DNA 是生物遗传材料,然而 DNA 也能作为纳米级其余修建材料,罗丹实验室近二十年前就率先合成了树枝状 DNA,并将其引入分子检测,实现了 DNA 的纳米条形码;它还可以和抗体链接,形成 DNA-抗体杂化分子,后者有望在高通量核酸检测和靶向治疗方面广泛利用。

同时,罗丹实验室创造出宏量的 DNA 水凝胶,可以广泛利用于药物通报和细胞三维培养,如今已经使用 DNA 水凝胶制造出蛋白质,能够实现在无细胞系统临盆大年夜量的活性蛋白质,包括那些活细胞无法临盆的蛋白质,这为药物筛选和蛋白制药供给了一条崭新的道路。别的,罗丹实验室还设计研发出一种自然界不存在的超材料,DNA 超胶,后者具有既是固体又是液体的特性,其动物实验显示,DNA 超胶能引发小鼠的天然免疫机制从而抑制小鼠的肿瘤发展。

此次 DNA 软机械人材料恰是在上述钻研根基上做出的。

这次罗丹团队提出了一种全新的观点:类生命材料,将人工新陈代谢付与给 DNA 水凝胶。

虽然这种“类生命材料”是第一次实现,还处于雏形阶段,但已经能够自发形成有层次、有组织的外形,并能自立地逆流运动,以致和别的的“类生命材料”赛跑。

这种“软机械人”材料可以从 55 个核苷酸碱基的 DNA 分子增殖形成几毫米长的 DNA 水凝胶,这种胶体经由过程首端发展、尾端降解得到动力,从微流系统中得到“营养”,实现“人工新陈代谢”从而自立运动。

罗丹表示,期望“类生命材料”的出生能够开发一个新领域,并在生物医学上实现其它材料难以企及的利用。

图丨 DNA 软机械人的道理。(滥觞:SCIENCE ROBOTICS)

问:罗教授,你们为何选择 DNA 材料作为钻研课题呢,可否先容一下此次钻研的背景?

我选择这个领域已经 20 年了。我在康乃尔大年夜学化工系做博士后的课题之一是用多聚物材料做药物递送载体,便是用多聚物来递送 DNA 药物。后来自己留校自力今后,顿时就想到 DNA 本身便是多聚物,我为什么要用其他多聚物来递送 DNA 呢?能不能把 DNA 算作多聚物来用呢?

着实多聚物有一个异常紧张的特征,便是其拓扑布局。假如要想把 DNA 算作多聚物的话,我必须创造不合的 DNA 拓扑布局。而我博士论文钻研课题之一恰正是 DNA 拓朴异构酶,以是结合这些根基,我自己实验室的第一篇论文便是关于发现树枝状拓扑布局的 DNA 材料,颁发在《自然·材料学》杂志(Nature Material)。

做完这个钻研今后我发明,有很多酶可以去感化 DNA。比如,只要你把 DNA 多聚物做成黏性末尾回文布局,它就可以自己连接起来,那么连起来的 DNA 分子在水溶液里便是一种胶。于是我们完成了天下上第一个完全用 DNA 做成的水凝胶。

进而,我们觉得可以把基因给放到 DNA 水凝胶的骨架上,这样基因就不会扩散出去,以是在中间轨则(注:遗传信息从 DNA 通报给 RNA,再从 RNA 通报给蛋白质,即完成遗传信息的转录和翻译的历程)下,你就可以在无细胞系统中临盆出蛋白,也便是说可以只用 DNA 水凝胶来天生蛋白质,而不用活细胞。要知道,很多蛋白对细胞实际上是有毒性的,并且细胞不会让某一种蛋白过量临盆,而用 DNA 水凝胶的无细胞系统来临盆蛋白质就不会有这样的限定。

于是这个无细胞系统就成为了一个异常有利用前景的项目。后来我们还做了一种超材料(Metamaterials), 超胶,既是固体又是液体的胶,它可以引发天然免疫系统,做成抗肿瘤药物。

DNA 软机械人材料这个课题有些歪打正着。我们当时想做的是生物检测芯片,便是说血液或尿液流过的时刻,芯片打仗到有病原菌的 DNA 就会发不合的光,这样的话在显微镜下检测有什么光,就会知道有哪些感染。

然则我们在此钻研历程中,我们忽然发明DNA 在这个微流系统中像渔网一样平常萦绕纠缠起来,这些萦绕纠缠的 DNA 可以形成不合的图案。然后我们就想到要把 DNA 材料做成类生命,是什么意思呢?便是让它有人工新陈代谢。

生命还有一个特性便是从细胞到组织,再到器官、系统,它有一个层次组装的布局。DNA 也是从核苷酸到 DNA 长链,然后组成染色体,以是材料本身要有组装,自立形成层级布局。

人工新陈代谢必要有调控的合成和降解。DNA 合成和降解很轻易实现,现在关键便是你怎么把它们有机调控起来,尤其是要有反映光阴和反映空间的节制,就像城市的自来水管或者高速公路,我们考试测验将其设计成一种有反馈有调控的布局。

这样 DNA 在前方合成、后面降解,可以用最根基的流体力学的谋略机模拟,以是我们就设计了这种很微小的管道系统,把合成速率加快,降解的速率轻细慢一点,它全部布局就开始自动往前走。假如你合成的速率和低落速率都一样的话,那就停顿在原地了。

恰恰我的一个博士后是系统工程的博士,做过机械人钻研,以是就很轻易和软机械人联系起来了。

问:DNA 软机械人利用前景是我们很关心的一个问题。

比如生物检测。DNA 软机械人系统不合于荧光检测,不必要定量检测(当然将来也可以做到定量检测),只必要看到有目标渔网布局呈现,肉眼或智妙手机就可以识别,那么便是检测出目标 DNA 了。

这个检测系统的上风是便捷,是便携式的检测装配,你可以像血糖仪一样随时随地应用。我们正在实现用智妙手机来检测。

这个系统也可以用于临盆蛋白质,也便是在时空节制下进行无细胞蛋白质临盆。这是一个加倍高效的蛋白质临盆系统,由于假如用传统的细胞,首先必要培养细胞,而且每个细胞自己要临盆数万种蛋白质,你要的蛋白弗成能被大年夜量临盆;而我们的无细胞系统就只临盆一种我们要的蛋白,这就让系统的所有能量都只用于临盆这种蛋白,能量被高效地使用了。我们现在已经临盆出 60 多种蛋白,而且都有活性。

问:若何理解这个 DNA 软机械人系统的进化属性?

我们盼望这种材料可以进化。假如这个材料有人工新陈代谢,又可以自我复制,那么它进化的可能性就存在了。同时由于你可以勘错,可以设计,还可以节制代时(每代的光阴),这种人工进化就值得进一步去探索。

问:你们在这个领域有商业化考试测验了吗?

现在还没有。这是天下上首次实现类生命材料,属于最早期的钻研,必要进一步地开发。我们正在申请最根基的专利,至于今后商业用途,就得看它从哪个偏向成长出来。我曾阅经久担负康奈尔大年夜学的技巧转移顾问委员会委员,对财产化技巧转移照样对照认识的。

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